Front-End Electronics in calorimetry : from LHC to ILC
Résumé
this report summarizes the electronics developments for liquid argon calorimeter read-out at LHC and the R&D carried out in the framework of the CALICE collaboration for those of the future linear collider (ILC). It also includes chips designed for multi-anode photomultipliers (MaPMT) used in the OPERA experiment or on ATLAS luminometer, which also find applications in medical imaging. Started in the early 90's, the R&D for ATLAS calorimetry was extremely challenging in terms of readout speed, radiation tolerance and measurement accuracy. The high speed has required a new approach using current-sensitive preamplifiers instead of charge sensitive ones and the redefinition of noise performance in terms of ENI. The preamplifiers developed at Orsay and the monolithic shapers are described in Chapter 1, including considerations of digital filtering, which was a new technique in our field. Chapter 2 is dedicated to the calibration system, designed and built by Orsay, for which the high performance and accuracy necessitated in-depth studies. The 3rd chapter closes the studies for ATLAS with a summary of the detector measurements which had to be carried out on the 200 000 channels in order to understand and modelize the detector and achieve everywhere the accuracy and uniformity at per-cent level. These developments for ATLAS ended in 2004, although parallel work was also carried out for the NA48 and D0 calorimeters which are not detailed here. The next generation of collider will require a new generation of calorimeters, much more granular, referred to as “imaging calorimetry” with embedded read-out electronics. The ASICs developed for this purpose in the framework of the CALICE collaboration are described in Chapter 4. They integrate all the functionalities of amplification, digitization and read-out making them complex “System-On-Chip” circuits extremely performant that find many other applications. A family of 3 chips reads out the Si-W electromagnetic calorimeter, the gas chambers of the digital hadronic calorimeter or the SiPMs of the analog hadronic calorimeter. These circuits have re-used several blocks developed for the multi-anode photomultipliers readout, developed in the early 2000's for the target tracker of the OPERA experiment and continued for the ATLAS luminometer, which are described in Chapter 5. These chips find a continuation in the future Water Cerenkov detectors, with large “smart” photodetector arrays.
ce rapport résume les développements réalisés en électronique pour lire le calorimètre à Argon Liquide (LAr) d'ATLAS au LHC puis le R&D effectué dans CALICE pour lire ceux de l'ILC en passant par les circuits développés pour lire les photomultiplicateurs multi-anode (MaPMT) pour OPERA ou pour la luminosité d'ATLAS et qui ont aussi des applications en imagerie médicale. Commencée au début des années 90, le R&D pour la calorimétrie d'ATLAS était extrêmement challenging en termes de vitesse de lecture, tenue aux radiations et précision de mesure. La vitesse élevée a nécessité une nouvelle approche de préamplificateurs de courant plutôt que de charge et la définition du bruit en ENI. Les préamplificateurs ont été développés a Orsay ainsi que les shapers monolithiques, ils sont détaillés dans le chapitre 1 ainsi que les considérations sur le filtrage numérique, qui constituait une nouveauté pour la communauté et qui ne donnait pas les résultas escomptés au début. Le chapitre 2 est consacré au système de calibration, développé et produit par Orsay et dont la performance poussée a nécessité des études approfondies. Le chapitre 3 clôt les études pour ATLAS avec un résumé des mesures qui ont dû être faites sur les 200 000 voies du détecteur pour le comprendre et le modéliser afin d'atteindre partout la précision et l'uniformité meilleures que le pourcent. Ces travaux pour ATLAS se sont achevés en 2004, même si des développements ont été réalisés pour les calorimètres de NA48 et D0 durant cette même période et sur des sujets connexes qui ne sont pas détaillés ici. La prochaine génération de collisionneurs après le LHC nécessitera une nouvelle génération de calorimètres, beaucoup plus granulaires (on parle d' « imaging calorimetry », avec des centaines de millions de canaux) et d'électronique de lecture intégrée dans le détecteur. Les ASICs développés pour cette application dans le cadre de la collaboration « CALICE » sont décrits au chapitre 4. Ils intègrent toutes les fonctions d'amplification, digitisation et lecture intégrée qui ont font de véritables « Systems On Chip » (SoC). Une famille de 3 circuits permet de lire le calorimètre électromagnétique Silicium-Tungstène, les RPCs du calorimètre hadronique digital ou les SiPM du calorimètre hadronique analogique ; très performants et versatiles, ils trouvent de nombreuses applications extérieures Ces circuits ont repris de précédents blocs de chips mis au point dans les années 2000 pour lire les photomultiplicateurs multi-anodes du Target Tracker de l'expérience OPERA puis du luminomètre de l'expérience ATLAS et qui sont décrits au chapitre 5 Ces circuits trouvent une continuation actuelle dans les photodétecteurs intégrés de grandes dimensions, développés pour de futures expériences Neutrino.
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